CN111869089A - 用于运行多相电机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于运行多相电机的一种方法以及一种设备。该方法包括如下步骤：确定工作点；针对多相电机的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，确定初步切换频率；针对多相电机的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，确定各一条调制函数曲线（m1、m2、m3）；根据在这些调制函数曲线（m1、m2、m3）中的至少一个时间段（Tmod）内的初步调制函数曲线的值，确定该时间段（Tmod）；在至少一个所确定的时间段（Tmod）内朝向经修改的切换频率改变该脉冲宽度调制的初步切换频率；并且基于所确定的调制函数曲线（m1、m2、m3），在使用在该至少一个所确定的时间段（Tmod）内的经修改的切换频率的情况下，通过该脉冲宽度调制生成针对所述电相中的每个电相的切换信号。

Description

用于运行多相电机的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于运行多相电机的方法以及一种用于运行多相电机的设备。多相电机尤其可以是三相电机、六相电机或九相电机。多相电机可以是多相电驱动装置。
因此，本发明尤其涉及用于运行多相电驱动装置、尤其是电动车辆或混合动力车辆（英文：“hybrid electric vehicle”，HEV）、尤其是插电式混合动力车辆（英文：“plug-in-hybrid electric vehicle”，PHEV）的多相电驱动装置的方法和设备。
背景技术
多相电机通常通过逆变器（也被称作换流器或换流器电路）被供应为了运行该电机而针对电相中的每个电相来适配的调制功能。在这种情况下，传统上根据多相电机的所希望的转矩以及多相电机的电频率来设定该电机的工作点。分别所设定的工作点包含用于实现所希望的调制函数曲线的脉冲宽度调制的固定切换频率以及操控方法。
例如，在小和中等电频率fel的情况下，可以应用空间矢量调制（英文“spacevector pulse-width modulation（空间矢量脉冲宽度调制）”，SVPWM），在更高的电频率fel的情况下可以使用同步时控，等等。
在此，切换频率通常被选择为使得在一方面真实电相与所希望的调制函数曲线的微小偏差（为此特别小的切换频率是有利的）与另一方面尽可能微小的切换损耗（为此尽可能大的切换频率是有利的）之间遵循平衡。
在DE 10 2012 220 247 A1中，描述了一种电驱动装置的示例性的换流器电路、一种具有换流器电路的电动车辆以及一种用于运行换流器电路的方法。
电力电子设备的基本要素例如从Joachim Specovius：“GrundkursLeistungselektronik:Bauelemente, Schaltungen und Systeme（电力电子设备基础课程：器件、电路和系统）”；Springer Vieweg；第8版（2017年1月24日）；ISBN-10: 3658169109中公知。
总是希望提供一种电力电子设备和一种相应的运行方法，该电力电子设备和该运行方法优化了多相电机的运行。
发明内容
本发明公开了一种具有专利权利要求1的特征的方法和一种具有专利权利要求10的特征的设备。
因此规定：一种用于运行多相电机的方法，该方法具有如下步骤：
确定该多相电机的工作点；
针对该多相电机的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，根据该多相电机的所确定的工作点来确定初步切换频率；
针对该多相电机的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，确定各一条调制函数曲线；
根据在这些调制函数曲线中的至少一个时间段内的初步调制函数曲线的值，确定该时间段；
在至少一个所确定的时间段内朝向经修改的切换频率改变脉冲宽度调制的初步切换频率；并且
基于所确定的调制函数曲线，在使用在该至少一个所确定的时间段内的经修改的切换频率的情况下，通过脉冲宽度调制生成针对这些电相中的每个电相的切换信号。
术语调制函数例如在开头所引用的书“Grundkurs Leistungselektronik:Bauelemente, Schaltungen und Systeme”的13.1.4章中详细予以阐述，该调制函数的随时间的变化过程在当前情况下被考虑和修改。调制函数可以被称作切换周期内的中间电路电压的短时电压平均值。
被确定并且在其中改变或修改切换频率的至少一个时间段也可以被称作“修改时间段”。
还规定了一种用于运行多相电机的设备，该设备具有：
计算装置，该计算装置构造用于：
确定该多相电机的工作点；
针对该多相电机的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，根据该多相电机的所确定的工作点来确定初步切换频率；
针对该多相电机的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，确定各一条调制函数曲线；
根据在这些调制函数曲线中的至少一个时间段内的初步调制函数曲线的值，确定该时间段；
在至少一个所确定的时间段内朝向经修改的切换频率改变脉冲宽度调制的初步切换频率；
切换装置，该切换装置被构造为通过脉冲宽度调制来实现针对该多相电机的电相中的每个电相的调制函数曲线；和
信号生成装置，用于基于所确定的调制函数曲线在使用在该至少一个所确定的时间段内的经修改的切换频率的情况下生成针对该切换装置的用于这些电相中的每个电相的脉冲宽度调制的切换信号。
用于运行多相电机的设备也能被称作换流器或换流器电路。
本发明还提供了一种车辆，该车辆包括按照本发明的用于运行多相电机的设备以及所要运行的电机。所要运行的多相电机尤其可以是该车辆的驱动装置。该车辆尤其可以是混合动力车辆（HEV）或插电式混合动力车辆（PHEV）。
本发明的优点
本发明所基于的认识在于：用于脉冲宽度调制的切换频率是在操控或运行多相电机时附加的、到目前为止未被考虑的自由度。
通过在特定条件下并且在特定时间段内朝向经修改的切换频率改变最初的初步切换频率（如其传统上所设定的那样），可以降低或最小化电机、尤其是用于驱动的电机的损耗功率。
换言之，本发明的核心思想在于：用于运行电机的脉冲宽度调制的切换频率不是在切换周期1/fel内固定，而是被修改至少一次。
有利的实施方式和扩展方案从从属权利要求中以及从参考附图的描述中得到。
按照一个优选的扩展方案，基于在至少两条调制函数曲线之间的至少一个差来确定该至少一个时间段。即已认识到：通过这些调制函数曲线的值彼此间的相对关系可以标识或确定其中改变初步切换频率特别有利的这种时间段。
按照另一优选的扩展方案，基于在每两条调制函数曲线之间的所有可能的差来确定该至少一个时间段。以这种方式，可以确定其中朝向经修改的切换频率改变初步切换频率的尽可能多的时间段。因此，可以在整体上实现对损耗功率或切换损耗的进一步减少。
按照另一优选的扩展方案，将其中在任意两个调制函数曲线之间的任意差都具有小于或等于（≤）阈值的绝对值（abs）的每个时间段都确定为至少一个所确定的时间段（“修改时间段”）。
如果该阈值被称作mTol，并且针对第i个电相用mi来表示这些调制函数曲线，则其中针对任意的i和任意的j适用如下条件的每个时间段因此可以被确定为该至少一个所确定的时间段（也就是说确定为修改时间段）：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
因此，对于具有三个电相的特殊情况来说存在三条调制函数曲线m1(t)、m2(t)和m3(t)，而且其中适用如下条件的每个时间段都被确定为修改时间段：
Figure 601910DEST_PATH_IMAGE002
，
其中符号“||”表示“或”。
可理解的是：上文提及的公式也可以相对应地被应用于超过三个电相，例如被应用于六个或九个电相。
按照另一优选的扩展方案，按照本发明的方法包括如下步骤：基于多相电机的转矩和/或转速来确定该阈值、即mTol。对该阈值的确定例如可以在使用预制的查询表（英文：lookup table，LUT）的情况下进行。也被称作换算表的查询表常常被用在信息技术和数字技术中，以便静态地定义信息并且在程序运行时使用这些信息来避免花费高的计算或高存储器使用。因此，设计用于实施按照本发明的方法的设备可以利用相对更少的资源来被实施。
按照另一优选的扩展方案，按照本发明的方法包括如下步骤：基于多相电机的转矩和/或转速来确定经修改的切换频率。对经修改的切换频率的确定例如可以在使用查询表的情况下进行。由此也可能的是：避免花费高的计算并且减少用于执行该方法的工作存储器使用。与此相对应地，用于执行按照本发明的方法的设备可以用更少的资源就足够了或利用要求不那么高的硬件来实现。
按照另一优选的扩展方案，在针对这些电相中的每个电相生成切换信号的情况下，初步切换频率在所有不在这些修改时间段之一内、也就是说不在该至少一个所确定的时间段内的那些时间段内保持不变。
按照另一优选的扩展方案，经修改的切换频率小于初步切换频率。以这种方式，可以使切换损耗最小化。
按照另一优选的扩展方案，针对脉冲宽度调制使用空间矢量调制或正弦调制。
附图说明
随后，本发明依据在附图的示意图中示出的实施例进一步予以阐述。其中：
图1示出了用于阐述按照本发明的一个实施方式的方法的示意性流程图；
图2示出了用于阐述按照本发明的另一实施方式的设备的示意性框图；以及
图3示出了针对三相电机的调制函数曲线的示意图。
为了清楚起见而对方法步骤进行编号，而且尤其是只要不另作说明，对方法步骤的编号就应该意味着确定的时间顺序。尤其是，也可以同时执行多个方法步骤。
具体实施方式
图1示出了用于阐述按照本发明的一个实施方式的用于运行多相电机的方法的示意性流程图。尽管结合三相电机来阐述实施例，但是可理解的是：所提到的要素、特性和方法步骤也可以类似地被用于具有超过三个相的多相电机（例如六相或九相电机）。
在步骤S10中，确定多相电机的工作点。如在现有技术中已经公知的那样，该工作点尤其可以根据多相电机的电频率fel和/或所希望的或当前的转矩M和/或转速来被确定。多相电机尤其可以是电驱动装置，优选地用于车辆、特别优选地用于HEV或PHEV的电驱动装置。
在步骤S20中，针对多相电机的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，确定初步切换频率fs。对于该脉冲宽度调制来说，例如可以使用空间矢量调制或正弦调制。初步切换频率根据多相电机的所确定的工作点来被确定，其中例如可以使用查询表。
在步骤S30中，针对多相电机的电相中的每个电相的相应的脉冲宽度调制确定（取决于时间的）各一条调制函数曲线。为了阐述这种针对多相电机的电相中的每个电相的脉冲宽度调制所确定的调制函数曲线，在图3中示出。
在图3中，m1表示针对第一电相的随时间的调制函数曲线，m2表示针对第二电相的随时间的调制函数曲线，并且m3表示针对第三电相的随时间的调制函数曲线。
对调制函数曲线的确定可以像也到目前为止在现有技术中常见的那样来实现。
在步骤S40中，现在根据初步调制函数曲线m1(t)、m2(t)、m3(t)的值来确定、也就是说标识和选择在调制函数曲线m1、m2、m3中的至少一个时间段Tmod。至少一个所确定的时间段Tmod也可以被称作修改时间段Tmod，因为初步切换频率稍后在该时间段内或者在这些时间段内被改变。
优选地，将该修改时间段Tmod或这些修改时间段Tmod确定为使得其中在两条任意的调制函数曲线m1、m2、m3之间的任意差都具有小于或等于阈值mTol的数值的每个时间段都被确定为修改时间段。换句话说：
其中适用如下条件的每个时间点t都被确定为属于修改时间段Tmod：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，
其中符号“||”表示“或”，而且其中每个修改时间段Tmod都通过被确定为属于该修改时间段的连续的时间点t的全体来被限定。
阈值mTol可以预先确定并且是固定的，其中阈值mTol可以有关相应的所要运行的多相电机来被优化。替选地，可以规定：在可选的步骤S35中，例如在使用查询表的情况下，基于多相电机的转矩和/或转速来确定阈值mTol。在这种情况下，阈值mTol可以优选地针对每个切换周期1/fel重新被确定。
在步骤S50中，在至少一个所确定的时间段内、也就是说在该所确定的修改时间段Tmod或者多个所确定的修改时间段Tmod内，朝向经修改的切换频率改变脉冲宽度调制的初步切换频率。经修改的切换频率尤其可以是小于初步切换频率使得在修改时间段Tmod内得到更少的切换损耗的切换频率。
有利地，在所有修改时间段内都朝向经修改的切换频率改变初步切换频率，而在所有不是修改时间段Tmod、也就是说不与任意的修改时间段Tmod重叠的时间段内，最初的初步切换频率保持不变。
以这种方式，在其中降低的切换频率具有微小影响的时间段内使切换损耗最小化，而在其余的降低切换频率会造成更强烈影响的时间段内使用之前所确定的初步切换频率，该初步切换频率曾有关所确定的工作点被优化。因此，整体上可以设定在一方面对针对脉冲宽度调制特别准确地实现的调制函数曲线的追求与另一方面尽可能低的切换损耗之间的有利的平衡。
对修改时间段Tmod的确定可以通过如下方式来进行：在存在上文提到的用于确定修改时间段Tmod的条件的情况下，设置标记（例如将标记位从0设置到1），其中被激活的标记（例如标记位）意味着存在修改时间段Tmod，而未被激活的标记（例如被设置到0的标记位）意味着不存在修改时间段Tmod、也就是说应使用最初的初步切换频率。
经修改的切换频率可以固定地预先给定，例如预先给定为绝对值。替选地，经修改的切换频率可以被确定为固定地预先给定的相对值，例如被确定为相应的所确定的初步切换频率的预先确定的百分比。换言之，可以规定：在步骤S50中，在这些修改时间段Tmod内的初步切换频率相应被降低到初步切换频率的预先给定的百分比。该预先确定的百分比例如可以是为75%或更少的百分比、优选地为50%或更少的百分比、特别优选地为25%或更少的百分比。
替选地，也可以规定：在可选的步骤S45中，例如根据多相电机的转矩和/或转速，确定经修改的切换频率。特别优选地，设置查询表，在该查询表中，分别根据多相电机的转矩和/或转速来预先给定经修改的切换频率的值。
也能称作经优化的切换频率的经修改的切换频率还可以根据其它参数来被确定或者可以在使用查询表的情况下被确定，该查询表包含其它参数，例如尤其是当执行可选的方法步骤S35来确定阈值mTol时包含该阈值。如果经修改的切换频率不是固定的，则该经修改的切换频率可以优选地针对每个切换周期1/fel重新被确定。
在步骤S60中，针对这些电相中的每个电相，通过脉冲宽度调制来生成切换信号，而且基于所确定的调制函数曲线在使用在该至少一个所确定的时间段内、也就是说在该修改时间段Tmod内或在这些修改时间段Tmod内的经修改的切换频率的情况下来生成切换信号。
有利地，在最初的初步切换频率与经修改的切换频率之间的转变对称地进行，使得在切换过程中不存在突变。换言之，优选地当设置零矢量时，进行该转变。
可理解的是：所生成的切换信号可以在其生成之后被发送给用于通过相对应的脉冲宽度调制来实现调制函数曲线（可选的步骤S70）的切换装置；而且可以在使用所实现的调制函数曲线的情况下运行多相电机（可选的步骤S80）。
图2示出了用于阐述按照本发明的另一实施方式的用于运行多相电机20的设备10的示意性框图。
设备10包括计算装置12、切换装置16以及信号生成装置14。
计算装置10构造用于执行方法步骤S10至S50，选择性地包括可选的方法步骤S35和S45在内，如在上文参考图1所描述的那样。信号生成装置14构造用于执行如上文所描述的那样的方法步骤S60，也就是说构造用于基于所确定的调制函数曲线在使用在该至少一个所确定的时间段内、也就是说在该所确定的修改时间段或这些修改时间段内的经修改的切换频率的情况下来针对用于这些电相中的每个电相的脉冲宽度调制的切换装置16生成切换信号71。
切换装置16构造为：基于由信号生成装置14所生成的切换信号71通过脉冲宽度调制来实现针对多相电机20的电相中的每个电相的调制函数曲线m1、m2、m3（参见上文的步骤S70）。多相电机20可以与设备10耦合，使得利用所实现的调制函数曲线来运行该多相电机。
在图2中还示出了：此外也提供系统100，该系统包括按照本发明的设备10以及借助于设备10运行的多相电机20。系统100尤其可以是电动车辆（EV）、特别优选地是混合动力车辆（HEV）、十分特别优选地是插电式混合动力车辆（PHEV）。在实现S70调制函数曲线的情况下，尤其是将相对应的占空比（Tastgrade）（或调制度（Aussteuergrade），英文“dutyfactor（占空因子）”或“duty cycle（占空比）”）作为切换信号71输出给作为切换装置16的部分的各个开关。
该计算装置尤其可以是微控制器、专用集成电路（英文“application-specificintegrated Circuit（专用集成电路）”，ASIC）。切换装置16尤其可以以两点技术或多点技术来实施。切换装置16尤其可具有桥式支路，该桥式支路对于多相电机的电相中的每个电相来说都具有两个串联的切换元件，其中尤其可以使用中点切换。
尽管本发明已经在上文依据优选的实施例予以描述，但是本发明并不限于此，而是能以各种各样的方式和方法来修改。尤其是，本发明能够以多种多样的方式来改变或修改，而不偏离本发明的核心。
本发明的核心思想在于：用于运行多相电机的脉冲宽度调制的切换频率不是在切换周期1/fel内固定，而是被调整至少一次，优选地在所确定的时间段（“修改时间段”）内降低。

Claims (10)

1.用于运行多相电机（20）的方法，所述方法具有如下步骤：
确定所述多相电机（20）的工作点；
针对所述多相电机（20）的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，根据所述多相电机（20）的所确定的工作点来确定初步切换频率；
针对所述多相电机（20）的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，确定各一条调制函数曲线（m1、m2、m3）；
根据在所述调制函数曲线（m1、m2、m3）中的至少一个时间段（Tmod）内的初步调制函数曲线的值，确定所述时间段（Tmod）；
在至少一个所确定的时间段（Tmod）内朝向经修改的切换频率改变所述脉冲宽度调制的初步切换频率；并且
基于所确定的调制函数曲线（m1、m2、m3），在使用在所述至少一个所确定的时间段（Tmod）内的经修改的切换频率的情况下，通过脉冲宽度调制生成针对所述电相中的每个电相的切换信号（71）。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中基于在至少两条调制函数曲线（m1、m2、m3）之间的至少一个差来确定所述至少一个时间段（Tmod）。
3.根据权利要求2所述的方法，
其中基于在每两条调制函数曲线（m1、m2、m3）之间的所有差来确定所述至少一个时间段（Tmod）。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中确定其中在任意两个调制函数曲线（m1、m2、m3）之间的任意差都具有小于等于阈值（mTol）的数值的每个时间段（Tmod）。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法具有如下步骤：
基于所述多相电机（20）的转矩和/或转速来确定所述阈值（mTol）。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，所述方法具有如下步骤：
基于所述多相电机（20）的转矩和/或转速来确定经修改的切换频率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，
其中在针对所述电相中的每个电相生成所述切换信号（71）的情况下，所述初步切换频率在至少一个所确定的时间段（Tmod）之外的时间段（Tmod）内保持不变。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，
其中所述经修改的切换频率小于所述初步切换频率。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，
其中针对所述脉冲宽度调制使用空间矢量调制或正弦调制。
10.用于运行多相电机（20）的设备（10），所述设备具有：
计算装置（12），所述计算装置构造用于：
确定所述多相电机（20）的工作点，
针对所述多相电机（20）的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，根据所述多相电机（20）的所确定的工作点来确定初步切换频率，
针对所述多相电机（20）的电相中的每个电相的脉冲宽度调制，确定各一条调制函数曲线（m1、m2、m3），
根据在所述调制函数曲线（m1、m2、m3）中的至少一个时间段（Tmod）内的初步调制函数曲线的值，确定所述时间段（Tmod），
在至少一个所确定的时间段（Tmod）内朝向经修改的切换频率改变所述脉冲宽度调制的初步切换频率；
切换装置（16），所述切换装置被构造为通过所述脉冲宽度调制来实现针对所述多相电机（20）的电相中的每个电相的调制函数曲线；和
信号生成装置（14），用于基于所确定的调制函数曲线（m1、m2、m3）在使用在至少一个所确定的时间段（Tmod）内的经修改的切换频率的情况下生成针对所述切换装置（14）的用于所述电相中的每个电相的脉冲宽度调制的切换信号（71）。
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